機械加工制造中的綠色制造工藝

何剛

（肇東市人民政府油田服務中心，黑龍江 肇東151100）

傳統的機械加工制造不但需要消耗大量的資源，而且能源的用量也比較大，加工過程中產生的“三廢”對自然生態環境造成嚴重的污染和破壞，這與可持續發展的理想相違背。而綠色制造工藝以降低能源、資源的總體消耗量和保護環境為目標。因此，可在機械加工制造中對綠色制造工藝進行合理應用。

1 綠色制造工藝

綠色制造是一項非常先進的技術工藝，其最終目的是降低能源和資源的總體消耗量，并最大限度地減輕對自然生態環境的污染和破壞。正因如此，使得綠色制造得到越來越廣泛的關注。綠色制造工藝主要包括以下三個方面的內容，即節約資源、節約能源、保護環境。

1.1 節約資源型綠色制造工藝

機械加工過程中的資源主要為各種材料，而節約資源型的綠色制造工藝能夠在機械加工中有效減少材料的消耗量，隨著材料消耗量的減少，機械加工時消耗的能源會隨之降低，廢棄物的產量也會有所減少，從而可以實現節能、環保的目標。不僅如此，還能為機械加工制造企業帶來巨大的經濟效益。

1.2 節能型綠色制造工藝

現階段，機械加工基本上都是通過各種機床來完成，機床的運行需要以能源作為驅動力，隨著產能的增加，使得機械加工制造過程中的能耗隨之增大。節約能源型的綠色制造工藝能夠在保證機械加工效率的基礎上，最大限度地降低能源的使用量和損耗量，從而實現節能降耗的目標。在傳統的機械制造中，損耗的能源非常多，比如燃料燃燒時產生的熱能，由于無法被回收利用，不但造成能源白白浪費，還使環境遭到污染[1]。而節能型綠色制造工藝的應用，則可使這一問題得到有效解決。

1.3 保護環境型綠色制造工藝

環境是人類賴以生存的基礎，如果環境遭到嚴重的破壞，則會對人類社會的持續發展帶來影響。所以保護環境尤為必要。然而，在傳統的機械加工制造中，除了會產生大量的有害物質之外，還伴有噪聲污染。保護環境型的綠色制造工藝能夠在機械加工時，將有害物質的產生量降至最低程度，并且部分物質可以回收再利用，噪聲也隨之降低。

2 綠色制造工藝在機械加工制造中的具體應用

在現代機械加工制造中，切削是不可或缺的重要組成部分之一。為此，可在切削加工中，對綠色制造工藝進行應用。

2.1 傳統切削的缺陷

在傳統的切削加工中需要使用切削液，其主要作用是冷卻和潤滑。根據相關研究結果顯示，切削液的用量與加工時間的關聯最為密切，二者之間呈成正比關系，即切削液的用量會隨著加工時間的延長而增多。切削液是由多種化學物質組合而成，它是機械加工過程中的重要污染源之一。根據環保部門的規定要求，所有用于機械加工的切削液必須經處理達標后，方可排放，如果直接排放，切削液中的有毒有害物質，會對自然生態環境造成嚴重的污染和破壞[2]。同時，還會威脅到人體健康。如果能夠減少或是不使用切削液進行機械加工，則可使上述問題得到有效解決。故此，應用綠色制造工藝時，要從切削液方面著手。

2.2 準干式與干式加工工藝

2.2.1 準干式加工。由于受到現有技術條件的限制，使得在深孔鉆削、孔攻絲等機械加工，很難在不使用切削液的情況下，保質保量地完成生產任務。對此，可采用少量潤滑或是風冷的準干式切削工藝。噴霧式潤滑是一種比較有效的潤滑方式，具體是通過對潤滑劑的霧化處理，將之高速噴射至切削加工區域，對工件進行潤滑和冷卻。實踐表明，在同等加工條件下，霧化潤滑劑的用量約為切削液用量的數萬分之一[3]。隨著機械加工中潤滑油用量的減少，可以大幅度減輕加工過程對環境的污染，并且還能為后續的加工提供便利條件，有助于生產效率的提升。風冷切削是以霧化潤滑作為前提，以溫度較低的空氣替代常規空氣，對機械加工過程進行冷卻潤滑，這種切削工藝最為突出的特點是能夠延長車刀的使用壽命，在提高經濟效益的同時，減少資源的消耗。

2.2.2 干式加工。干切削歸屬于清潔型綠色制造工藝的范疇，整個加工過程不使用切削液，該工藝對環境的污染可以降至最低程度，并且還能使設備結構得到精簡，在提高生產效率的基礎上，能夠減少成本支出，可為機械加工制造企業帶來巨大的經濟效益。干切削包括干式車削、銑削等，其中干式車削在有色金屬、合金等材料的加工中表現非常優異。由于干切削不使用切削液，刀具與工件之間為干磨狀態，從而使得該工藝對刀具的耐磨性以及耐熱性提出較高的要求，為確保加工的順利進行，必須對刀具進行優選，這是該工藝應用中需要重點注意的問題。要保證所選的刀具結構合理，并且還要有適宜的幾何角度，這樣除了能夠滿足斷、排屑的要求之外，還能減少工件上積削瘤的產生。具體選擇時，應著重考慮以下兩個方面的因素：

（1）材質。在刀具的材質方面，陶瓷的性價比要高于CBN（立方氮化硼），如晶須增韌陶瓷[4]，這種材質的刀具韌性較高，可將之作為首選。與陶瓷材質的刀具相比，硬質合金的價格更低一些，是目前機械加工中應用較為廣泛的一種刀具，但這種刀具必須使用切削液。為解決這一問題，可通過涂層技術對其進行改良，增強刀具本身的抗磨性，使其滿足干式切削的應用需要。（2）涂層。刀具的抗磨、耐高溫等性能與涂層有著密切關聯，帶有涂層的刀具在高溫高壓的加工條件下，具有良好的抗磨效果。不僅如此，涂層能在刀具與工件之間生成熱絕緣，由此可大幅度增強刀具的耐熱性。

2.3 干式切削加工中的冷卻技術

由于干式切削不使用切削液，所以必須選擇合理可行的冷卻方式。可供選擇的冷卻技術有以下幾種：液氮冷卻、靜電冷卻、氣體射流冷卻。

2.3.1 液氮冷卻技術。在機械加工中，對液氮冷卻技術進行應用時，可以選擇的方式有兩種，一種是直接冷卻，即將液氮直接噴射到刀具或是工件的表面，另一種是間接冷卻，即將液氮集中噴射到機械加工區域內。液氮不僅具有冷卻的作用，還能起到一定的潤滑效果，并且液氮會自然揮發到空氣中，不會產生殘留，對環境無污染，是干式加工中比較理想的冷卻方式。

2.3.2 靜電冷卻技術。靜電冷卻技術主要是利用相應的冷卻裝置，在干式切削加工中，向加工區域內吹入絕緣的空氣，從而改變切削區域的環境，由此除了能夠達到降溫冷卻的效果之外，還能在刀具與工件之間形成氧化膜，進而起到潤滑的作用。

2.3.3 氣體射流冷卻技術。氣體射流冷卻是在干式切削加工的過程中，利用相應的設備將帶有壓力的氣體，以射流沖擊的方式作用于加工區域，以此來達到冷卻的效果，這種冷卻技術能夠減少潤滑劑的用量。冷風冷卻是氣體射流冷卻中較為實用的技術之一，它以溫度較低的空氣作為冷卻和潤滑介質，通過該冷卻方式的應用，可以提高工件的表面粗糙度，并且能夠降低刀具表面的損傷程度[5]。此外，二氧化碳也是一種綠色的干式切削冷卻介質，在切削過程中沒有二氧化碳氣體排出，不會加劇溫室效應。

上述三種冷卻技術各具優點，在具體的機械加工制造中，可以結合實際情況進行合理選用。

2.4 干式機床的優化

在對干式切削加工機床的構造進行優化的過程中，應當以消減熱變形作為重點。同時要防止排屑對機床造成的損傷。具體優化時，應綜合考慮以下幾個方面：

2.4.1 誤差補償。干式切削加工中，溫度如果持續升高，會導致主軸箱或立柱變形。對此，可以借助誤差補償系統，抵消由于熱變形產生的誤差，從而確保切削加工質量。

2.4.2 均勻發熱。在干式切削機床中，主軸前后軸承的受力區是主要的發熱區域，在對機床進行優化時，應當使發熱區域盡可能遠離工件，這是確保加工精度的有效途徑之一。如果發熱源過多，則應進行分散，并采用熱傳導性好的材料作為冷卻部件。

綜上所述，機械加工制造在工業生產中占據著重要的地位，由于受到現有工藝的制約，使得加工過程會消耗大量的資源和能源，并且還會對環境造成嚴重的污染和破壞。而通過綠色制造工藝的應用，能夠使上述問題得到有效解決。鑒于此，在機械加工制造中引入綠色制造工藝已經勢在必行，這對于工業的持續發展意義重大。